基于ME MS传感器的振动筛工况检测技术研究

王 威,薛光周,王少轩,林本爱

(河南工业大学电气工程学院,河南郑州 450052)

基于ME MS传感器的振动筛工况检测技术研究

王 威,薛光周,王少轩,林本爱

(河南工业大学电气工程学院,河南郑州 450052)

基于MEMS技术的 3轴加速度传感器MMA7260Q,应用飞思卡尔公司新型 S08AW60和智能数据处理技术,研制出具有微型化、智能化、高集成度的振动筛有载工况检测装置,可同时测量振动筛任意位置的 X、Y、Z3轴加速度参数,该装置由振动检测电路、MCU核心单元、加速度信号预处理软件和上位机显示界面等组成,可以应用于散粒体 (粮食)新型加工装备的研究、设计和技改验收等.

振动筛;MEMS;S08AW60

0 前言

在散粒体加工业 (如粮食、煤炭、化工、塑料等)的生产线上,混合物料的分级和清理主要采用振动筛,即利用振动筛的多孔工作面,通过施加于筛面的周期性振动,使物料松散、分层、透筛、定向输送,并将散粒体混合物料按粒度、质量或比重等进行分离[1].由于振动筛对散粒体 (如谷物)的清理和分级作用是通过筛面的规律性运动实现的,因此筛面的运动状况决定了清理和分级效果的好坏.传统的振动筛检测装置体积和质量较大,甚至检测装置本身就会影响振动筛的振动工况,使测得的振动数据不能准确地反映振动筛的运行状况.

作者研制了一台小型、高集成度的智能型振动筛工况检测仪原理样机,并应用于 TQLZ60＊150振动筛的现场工况检测,效果良好.该技术可有效地检测散粒体 (粮食)振动筛的加速度、速度等工况,可显示诸振动参数的时域曲线,为振动设备的生产、校验维修和研发提供技术数据支持.

1 硬件系统结构及工作原理

振动筛工况检测仪由微控制器 S08AW60、加速度传感器 MMA7260Q、TTL-EI A电平转换电路和上位笔记本计算机等部分组成,如图 1所示.

图1 振动筛工况检测仪硬件结构

振动筛工况检测仪的工作原理:检测仪正常运行时,MMA7260Q加速度传感器对振动筛的工况 (3轴加速度)进行采集,并通过 MMA7260Q内部的滤波、放大和温度补偿处理后,将振动筛的 3轴加速度模拟信号通过接口传送给微控制器(MCU),微控制器 S08AW60片上自带 10位精度的A/D转换模块,它将振动筛的 3轴加速度模拟信号转换为MCU能识别和处理的数字信号,并对数字信号做进一步的智能化处理,之后再经过RS232串口将数据传送给上位笔记本计算机,在彩色 LCD屏幕上显示振动筛的 3轴加速度波形与数值.

2 振动加速度检测传感器(MEMS)

微机电系统 (MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)是 21世纪的朝阳技术,是新世纪世界经济新的增长点,因为它通过微型化和集成化构建了新的工作原理、新的功能、新的材料、新的结构、新的工艺,开辟了一个新的科学技术研究应用领域,并迅速地被产业化和规模化,MEMS正在工业过程控制、计算机、环境保护与检测和交通运输等领域迅速地推广应用[2].

作者选用的振动筛 3轴加速度传感器MMA7260Q是基于MEMS微机电系统原理的新型传感器,体积只有 6 mm ×6 mm ×1.45 mm,内部由微传感器、微执行器、信号处理与控制电路、通讯接口和电源等部件组成,其内部组成如图 2所示,它将 3轴加速度信息的获取、处理集成在一起,具有极高的智能化和可靠性水平.

MMA7260Q由美国飞思卡尔公司 (原摩托罗拉)生产,是一款低成本微型硅半导体电容式加速度传感器,具有 3轴加速度的检测功能,提供 4个可选加速度量程 (1.5g/2g/4g/6g),能实现X、Y、Z3轴同时测量[3].该传感器体积和重量非常小,能够很好地满足本课题的技术要求.

图2 MMA7260Q的内部电路

3 微控制器 S08AW60

振动筛工况检测的主控制器采用飞思卡尔公司提供的 S08AW60.S08AW60是增强型 8位微控制器,拥有 62KB片上在线可编程 FLASH存储器和 2 KB片上 RAM,具有模块保护与安全选项功能,支持 2.7～5.5 V电源,其内部集成了高性能模 /数转换器 (ADC)和串行通信模块,具有很宽的工作温度范围 (-40～125℃),可适应各类恶劣工况.该芯片可通过硬件调试器 (BDM)进行在线编程及后台调试,稳定性高,调试方便.微控制器 S08AW60接口电路如图 3所示.

图3 微控制器 S08AW60模块

4 软件设计

振动筛工况检测装置的软件由两大部分组成:S08AW60微控制器软件和上位计算机软件.

4.1 S08AW 60微控制器软件

微控制器 S08AW60的编程软件采用飞思卡尔公司专用开发软件 CodeWarrior I DE 6.0,它可以在不同的操作系统 (包括 W indows,Macintosh和Linux)下使用,而且在这些操作系统下的界面完全相同.振动筛工况检测装置的微控制器软件主要由 A/D转换、数字滤波、时钟标定、串行通讯、温度补偿等部分组成,限于篇幅,仅介绍微控制器的中断服务程序.

微控制器的中断服务程序有 3个:A/D转换中断服务程序、SCI1接收中断服务程序和 SCI1发送中断服务程序.A/D转换中断服务程序负责加速度传感器的模拟信号采集和转换,为MCU内部运算提供原始数字信息,其工作流程如图 4所示,其中 WH-AD值 1、2、3为子程序编号.SCI1接收中断服务程序负责接收上位机发来的信息,而SCI1发送中断服务程序负责向上位机发送MCU处理后的数据.

4.2 上位机图形显示软件

上位计算机波形显示界面是利用 VB6.0集成开发环境设计的.Visual Basic是美国微软公司推出一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言.振动筛工况检测装置的上位机 VB软件包括MSComm串行通信控件、图形显示程序、界面设置程序等模块.

图4 A/D转换中断服务程序

5 试验验证及结果分析

振动筛工况检测装置的试验平台采用TQLZ60＊150振动筛,是河南省郾漯粮食机械厂生产的一款激振往返式清理振动筛,适用于原粮、制米、制粉、饮料、食品、加工等行业的散状物料清理.振动筛工况检测装置的安装比较简单,可直接把加速度检测模块直接与待测部位的外部壳体固联,如图 5所示.

图5 振动筛与加速度检测装置

振动筛工况检测仪对振动筛 TQLZ60＊150进行工况检测时,可同时获得待测部位的 X、Y、Z 3轴加速度数据,通过测试,可以验证振动筛工作时的加速数据主要是在 Y轴和 Z轴方向,也就是谷物进入振动筛后,在振动筛的作用下谷物向前移动为主.X轴的加速度稍低,主要是为了使谷物向前运动时能向两侧摊开,便于提升杂质清理效果,实测的数据与振动筛设计初衷是一致的.

6 结束语

通过对 TQLZ60＊150振动筛的现场工况检测,作者研制的振动筛工况检测仪取得了较好的效果,可有效地检测散粒体 (粮食)振动筛的加速度、速度,并显示振动参数的时域曲线,为振动设备的生产、维修和研发提供技术支持.在进一步的研究中,拟采用无线通信模式完成振动数据的传递,使之适用于全封闭的新型振动筛的监控和研发,另外还可应用 LABV IEW平台,配合虚拟仪器技术开发功能更加强大的智能型振动筛现场工况检测装置.

[1] 贾成祥.农场品加工机械使用与维修[M].合肥:安徽科学技术出版社,2004.

[2] 刘军营,楮金奎,朱向荣,等.微机电系统的发展[J].山东理工大学学报:自然科学版,2003,17(1):107-110.

[3] Freescale公司.MMA7260Q DataSheet,Rev.0[Z].2005.

[4] 童常根,郭晓宇,郑玉冰.基于 DSP的振动信号检测系统的设计[J].计算机测量与控制,2008,16(5):627-628,646.

[5] 王威.嵌入式微控制器 S08AW原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[6] 龚沛曾,杨志强,陆慰民.Visual Basic程序设计教程 [M].北京:高等教育出版社,2007.

WORK COND ITI ON DETECTI ON TECHNOLOGY OF V I BRATING SCREEN BASED ON MEMS SENSOR

WANGWei,XUE Guang-zhou,WANG Shao-xuan,L IN Ben-ai
(School of Electrical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)

The paper developed a miniaturized,intelligent and high-integrity on-load work condition detection device of a vibrating screen based on the MEMS three-axis acceleration sensor(MMA7260Q),the novel S08AW60 and intelligent data processing technique of Freescale Semiconductor.The on-load work condition detection device could measure theX-axis,Y-axis andZ-axis acceleration parameters at any positions of the vibrating screen at the same ti me.The device consisted of a vibration detection circuit,anMCU,acceleration signal preprocessing software,a display on the upper computer and so on,and was applied to research,design,technique innovation,acceptance inspection and so on of the novel granularmaterial(grain)processing equipment.

vibrating screen;MEMS;MC9S08W60

TS203

B

1673-2383(2011)01-0070-04

2010-10-30

河南工业大学科研基金项目(08XPT001)

王威 (1957-),男,河南商丘人,教授,硕士生导师,主要研究方向为嵌入式计算机应用、食品装备机电集成及智能测控技术.